Hướng dẫn thí nghiệm hóa phân tích

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BỘ MÔN HÓA PHÂN TÍCH 2 MỤC LỤC Mục lục.....................................................................................................................................1 Lời nói đầu...............................................................................................................................6 Những điều cần biết khi tiến hành phân tích định lượng....................................................7 Giới thiệu một số dụng cụ, thiết bị cơ bản ......8khi làm thí nghiệm phân tích định lượng Xử lý thống kê các số liệu thực nghiệm...............................................................................12 Phần 1: Các phương pháp phân tích hóa học ....................................................................14 Chương I: .................................... 14Phân tích bằng phương pháp trọng lượng Bài 1: SO .................................16Xác định 42- (sunfat) theo phương pháp khối lượng Bài 2: Xác định sắt theo phương pháp khối lượng ...................................................18 Bài 3: ...............................................................................20Xác định niken trong thép Chương II: ......................................... 22Phân tích bằng phương pháp thể tích Dụng cụ dùng để đo thể tích dung dịch .....................................................................22 Tính toán và pha chế dung dịch trong phân tích thể tích ........................................26 Chất chỉ thị ...................................................................................................................33 Các bài thí nghiệm......................................................................................... 41 Bài 4: Pha chế và chuẩn độ dung dịch HCl ...................................................................41 Bài 5: Xác định nồng độ dung dịch naoh bằng dung dịch HCl ....................................43 Bài 6: Xác định hàm lượng Na CO trong Na CO kỹ thuật.........................................442 3 2 3 Bài 7: Xác định nồng độ NaOH và Na CO trong hỗn hợp..........................................452 3 Bài 8: Xác định hàm lượng axit có trong dấm và rượu vang.........................................48 Bài 9: Pha chế và xác định nồng độ dung dịch KMnO ...............................................494 Bài 10: Xác định hàm lượng canxi trong đá vôi............................................................51 Bài 11: Xác định nồng độ dung dịch Fe bằng KMnO ...............................................532+ 4 Bài 12: Xác định sắt trong dung dịch FeCl bằng KMnO ............................................543 4 Bài 13: Xác định hàm lượng Mn trong thép hợp kim....................................................56 Bài 14: Xác định nồng độ Fe bằng K Cr O ...............................................................573+ 2 2 7 Bài 15: Xác định crôm trong thép hợp kim ...................................................................60 Bài 16: Chuẩn độ dung dịch Na S O theo phương pháp iốt ........................................612 2 3 Bài 17: Xác định đồng trong CuSO .............................................................................654 Bài 18: Xác định antimon trong antimon kỹ thuật ........................................................67 Bài 19: Xác định Cl bằng dung dịch chuẩn AgNO .....................................................68− 3 3 Bài 20: Xác định Cl bằng dung dịch chuẩn Hg(NO ) ................................................69− 3 2 Bài 21: Xác định kẽm (Zn ) bằng feroxianua kali theo phương pháp kết tủa ............702+ Bài 22: Xác định nồng độ complexon III bằng dung dịch ZnSO ................................714 Bài 23: Xác định độ cứng chung của nước bằng complexon III...................................73 Bài 24: Xác định Ca bằng phương pháp complexon.....................................................74 Bài 25: Xác định Al bằng complexon III theo phương pháp định phân ngược ............75 Bài 26: Xác định Ni bằng complexon III ......................................................................76 Bài 27: Xác định coban bằng complexon III.................................................................77 Phần 2: Các phương pháp phân tích hóa lý .......................................................................78 Chương 1: Phương pháp trắc quang .............................................................. 78 Bài 28: Nghiên cứu phổ hấp thụ của phức Fe-axit sunfosalisilic..................................82 Bài 29: Xác định sắt bằng axit sunfosalixilic ................................................................83 Bài 30: Xác định hàm lượng sắt trong nước tự nhiên ...................................................85 Bài 31: Xác định MnO và Cr O trong dung dịch hỗn hợp .....................................874− 2 72 − Bài 32: Xác định Ni bằng dimetylglyoxim.................................................................882+ Bài 33: Xác định amoni trong nước ..............................................................................89 Bài 34: Xác định Cl bằng thủy ngân thyoxyanate .......................................................91− Bài 35: Phương pháp đo quang xác định thành phần phức phức Cu(II)−nitrozo-r-sol ............92 Bài 36: Xác định đồng theo phương pháp đo quang vi sai ...........................................95 Bài 37: Phổ điện tử của ion NO ..................................................................................972− Chương 2: Phương pháp điện phân ............................................................. 100 Bài 38: Phương pháp điện phân khối lượng xác định đồng ........................................104 Bài 39: Phương pháp điện phân có kiểm tra thế catot xác định Pb trong oxit kẽm ....106 Chương 3: Phương pháp cực phổ ................................................................ 108 Bài 40: Xác định Zn trong dung dịch..........................................................................110 Bài 41: Xác định Cd trong dung dịch.......................................................................1112+ Bài 42: Phương pháp von−ampe xác định Pb ..........................................................1132+ Bài 43: Phương pháp von-ampe xác định Zn , Cd , Pb , Cu khi chúng có mặt đồng thời..1142+ 2+ 2+ 2+ Chương 4: Phương pháp điện thế ................................................................ 116 Bài 44: Xác định nồng độ HCl bằng NaOH (điện cực quinhydron bão hòa)..............118 Bài 45: Xác định nồng độ NaOH và Na CO bằng HCl (điện cực thủy tinh).............1192 3 Bài 46: Xác định Cl , I trong dung dịch hỗn hợp bằng AgNO 0,1N........................122− − 3 4 Bài 47: Chuẩn độ Fe bằng K Cr O ..........................................................................1233+ 2 2 7 Chương 5: Phương pháp sắc ký trao đổi ion ...............................................................125 Bài 48: Phương pháp trao đổi ion trên nhựa cationit tách niken và coban..................126 Bài 49: Tách và xác định Fe , Zn trong dung dịch hỗn hợp....................................1283+ 2+ Chương 6: Phương pháp chiết – đo quang.................................................. 130 Bài 50: Xác định vi lượng đồng(II) khi có niken(II) lượng lớn bằng phương pháp chiết- đo quang ......................................................................................................................134 Tài liệu tham khảo ..............................................................................................................136 5 HƯỚNG DẪN THÍ NGHIỆM HÓA PHÂN TÍCH −2007− Bộ môn Hóa Phân tích − Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Department of Analytical Chemistry − Hanoi University of Technology Địa chỉ: Số 1 Đại Cồ Việt − Hà Nội. Phòng 411 − Tòa nhà C1 − ĐH Bách Khoa Hà Nội Điện thoại: (+84) 04. 8692206 E.mail: hpt@mail.hut.edu.vn Bản gốc “Hướng dẫn thí nghiệm Hóa Phân tích” năm 1992, 1996: Trần Bính, Nguyễn Ngọc Thắng Bản năm 2007 bổ sung các bài: 35,36,37,42,43 do GS.TSKH. Từ Văn Mặc soạn 3,6,8,18,24,30,32,45 do Nguyễn Lê Huy soạn 33 do Vũ Thị Hồng Ân soạn Chế bản và biên tập: Nguyễn Lê Huy Hoàn thành ngày 10 tháng 5 năm 2007. In tiêu chuẩn trên khổ A4 (210x297mm) 6 LỜI NÓI ĐẦU Hóa học phân tích là ngành khoa học về phương pháp giúp nghiên cứu các hiệu ứng và chuyển hóa hóa học, nghiên cứu các hợp chất và vật liệu mới, giúp các nhà kỹ thuật những chỉ dẫn để điều khiển và tự động hóa các quá trình công nghệ; giúp các nhà kinh tế và quản lý những cơ sở để đánh giá chất lượng sản phẩm và hoạch định kế hoạch phát triển. Hóa học phân tích là ngành khoa học ứng dụng tổng hợp các thành tựu của các ngành khoa học khác có liên quan như: hóa học, vật lý, toán tin, sinh học, y học, môi trường, vũ trụ, địa chất, địa lý… Đây là ngành có sự tích hợp cao của nhiều ngành khoa học tự nhiên nhằm đem lại lợi ích tối đa cho khoa học, đời sống và sự phát triển của con người. Bên cạnh việc nghiên cứu phân tích định tính và phân tích định lượng các nguyên tố và hợp chất, ngày nay phân tích cấu trúc cũng thuộc ngành phân tích. Trong tài liệu này chúng tôi trình bày các bài thí nghiệm phân tích định lượng các chất vô cơ áp dụng phương pháp phân tích hóa học và phương pháp phân tích hóa lý tương đối đơn giản có tính chất giáo khoa giúp sinh viên bước đầu làm quen với công tác phân tích hóa học. Tài liệu cũng bước đầu cung cấp một số phương pháp phân tích cấu trúc đơn giản bằng phép đo quang vùng tử ngoại và nhìn thấy nhằm giúp sinh viên bước đầu có khái niệm cho công tác nghiên cứu khoa học sau này. Xu hướng phát triển của hóa học phân tích trong những năm sắp tới đó là: - Nghiên cứu cơ bản về phân tích cấu trúc (phương pháp nhiễu xạ tia X; nhiễu xạ noton; cộng hưởng từ hạt nhân; đo quang vùng hồng ngoại, nhìn thấy, tử ngoại; phổ Raman; khối phổ; quang phổ điện tử…) - Nghiên cứu cơ bản về phân tích và nguyên tố đặc biệt là phân tích hỗn hợp các chất hữu cơ, phát hiện nguyên tố ở dạng vết, siêu vết áp dụng các kỹ thuật sắc ký hiện đại. - Nghiên cứu cơ bản về phân tích quá trình phục vụ sự nghiệp công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước. áp dụng công nghệ tự động hóa và tin học hóa vào công tác phân tích sản xuất. - Đào tạo nhân lực phù hợp với mục tiêu phát triển của xã hội. - Xây dựng các phòng phân tích hiện đại, uy tín. 7 NHỮNG ĐIỀU CẦN BIẾT KHI TIẾN HÀNH PHÂN TÍCH ĐỊNH LƯỢNG I. Chuẩn bị thí nghiệm Một thí nghiệm phân tích định lượng thường bao gồm nhiều giai đoạn. Nếu mọi giai đoạn thí nghiệm đều được tiến hành cẩn thận, đúng nguyên tắc thì kết quả cuối cùng mới có thể chính xác. Bởi vậy sinh viên phải chuẩn bị thật kỹ trước khi làm thí nghiệm: - Nắm vững cơ sở lý thuyết của thí nghiệm, hiểu thấu đáo ý nghĩa của từng thao tác thí nghiệm. - Nắm vững cách sử dụng các dụng cụ thí nghiệm, cách pha chế, chuẩn bị các hóa chất cần thiết. - Trình tự thí nghiệm. - Cách ghi chép và tính toán kết quả thí nghiệm. Để giúp sinh viên chuẩn bị tốt, cuối mỗi bài thí nghiệm đều có câu hỏi và bài tập. Sinh viên cần hoàn thành đầy đủ các phần này trước mỗi bài thí nghiệm. II. Tiến hành thí nghiệm Muốn tiến hành thí nghiệm có kết quả tốt trong thời gian định sẵn, không lãng phí hóa chất, làm hư hỏng dụng cụ, thiết bị, sinh viên cần chú ý một số qui tắc sau: 1. Sắp xếp chỗ làm việc Chỗ làm việc phải sạch sẽ, khô ráo, các dụng cụ phải bố trí thuận tiện cho việc sử dụng, tránh xẩy ra va chạm, đổ vỡ.. 2. Chuẩn bị dụng cụ, thiết bị Các dụng cụ thủy tinh, sứ… phải bảo đảm sạch sẽ trước khi dùng, cần kiểm tra dụng cụ thiết bị trước khi dùng và bàn giao đầy đủ cho phòng thí nghiệm sau khi hoàn thành thí nghiệm. 3. Ghi chép Mọi hiện tượng, số liệu trong khi thí nghiệm đều phải ghi vào sổ thí nghiệm, không ghi vào mảnh giấy rời hoặc ghi lên bàn. Trước và trong khi làm thí nghiệm nếu còn điều gì chưa nắm vững sinh viên phải hỏi thầy, cô giáo hướng dẫn. 8 GIỚI THIỆU MỘT SỐ DỤNG CỤ, THIẾT BỊ CƠ BẢN KHI LÀM THÍ NGHIỆM PHÂN TÍCH ĐỊNH LƯỢNG I. Dụng cụ thủy tinh Có nhiều loại dụng cụ bằng thủy tinh được sử dụng khi tiến hành phân tích định lượng. Về cơ bản có thể chia thành ba loại sau: Loại dùng để đựng, bảo quản, chứa như bình, chai, lọ... Loại dùng để đun nóng như cốc có mỏ, bình nón hay bình tam giác... Loại dùng để đo như bình định mức, ống đong, buret, pipet... a - Bình nón (bình tam giác) b - Cốc có mỏ dung tích 100ml c – ống đong d – Bình định mức đ - pipet e – Buret và autoburet Hình 1: Một số loại dụng cụ thủy tinh thường dùng trong phân tích định lượng Nói chung các dụng cụ thủy tinh đều dễ bị kiềm ăn mòn, bị HF phá hủy. Đặc biệt dụng cụ thủy tinh đều dễ bị vỡ khi va chạm, đánh rơi, dãn nở đột ngột. Lưu ý rằng chỉ được đun nóng các dụng cụ thủy tinh chịu nhiệt. Không được đun dung dịch bằng các bình định mức hoặc trong các chai lọ thông thường dùng để đựng. 9 II. Dụng cụ bằng sứ Bát sứ, cốc sứ, chén sứ... đều là loại dụng cụ chịu được nhiệt độ tương đối cao, có thể chịu được nhiệt độ tới 1000oC, bền với các axit vô cơ, bền cơ học tốt. Tuy nhiên chúng chịu kiềm kém và không thể sử dụng để thực hiện các phản ứng kiềm chảy. Hình 2: Chén nung bằng sứ III. Dụng cụ bạch kim Bát, chén, điện cực bạch kim là những vật dụng đắt tiền, chúng chịu được nhiệt độ rất cao (bạch kim nóng chảy ở 1770oC), bền với các loại axit vô cơ (kể cả HF). Tuy nhiên bạch kim cũng bị cường thủy phá hủy vì vậy tuyệt đối không được hòa tan mẫu bằng cường thủy khi sử dụng dụng cụ bạch kim. Đặc biệt bạch kim dễ tạo hợp kim với Pb, Sb, As, Bi, Sn, Ag, Au, C... vì vậy không nung các chất này trong bát, chén bạch kim và tránh nung dụng cụ bạch kim trên ngọn lửa có khói (C). Không thực hiện phản ứng kiềm chảy có chất oxy hóa vì khi đó Pt sẽ bị hòa tan làm hỏng chén. IV. Lò nung Có nhiều loại lò nung được sử dụng trong phòng thí nghiệm hóa phân tích, dựa theo nhiệt độ tối đa mà chúng có thể đạt được người ta chia làm ba loại lò sau: 1. Loại lò nung có thể đạt 800oC – 1000oC: loại này thường dùng sợi đốt Niken- Crom quấn xung quanh một hộp làm bằng vật liệu chịu lửa. Để điều chỉnh nhiệt độ người ta sử dụng cặp nhiệt điện nối với các rơle và bộ nguồn cung cấp điện áp 2. Loại lò nung có thể đạt 1100oC – 1200oC: loại này dùng sợi đốt là một hợp kim đặc biệt, có thể chịu nhiệt độ cao hơn (ví dụ như Tantan), các sợi đốt được sắp xếp sao cho gần vật nung nhất có thể. Hình 3: Lò nung 3. Loại lò nung có thể đạt 1350oC – 1400oC: loại này không dùng sợi đốt thông thường mà phải dụng các thanh đốt là vật liệu của hợp chất silic, đó là thanh cacbuasilic. Vật nung được đặt vào ống hình trụ đặt giữa các thanh cacbuasilic. 10 V. Cân phân tích và những lưu ý khi sử dụng cân 1. Cân phân tích Cân là thiết bị thường xuyên phải dùng trong các phòng thí nghiệm hóa phân tích. Đó là thiết bị chính xác, đắt tiền và dễ hỏng. Có hai loại cân chính đó là cân kỹ thuật và cân phân tích. Hình 4: Cân kỹ thuật và cân phân tích điện tử hiện số Cân kỹ thuật: dùng cho phép cân kém chính xác, có thể cân sơ bộ trước khi cân phân tích; cân các vật, hóa chất có hơi ẩm không cần sấy để sau đó xác định lại nồng độ bằng các chất chuẩn. Sai số của phép cân này từ 0,01 đến 0,1 gam. Cân phân tích thường cân các vật có khối lượng cân tối đa không quá 200 gam, có độ chính xác tới 10−4 – 10−5 gam, bao gồm hai loại chính là cân cơ học và cân điện tử. Cân cơ học ngày nay ít được sử dụng trong các phòng thí nghiệm, nguyên lý hoạt động của cân đơn giản là dùng quả cân và đòn cân để đo khối lượng của vật cân. Quang cân và đòn cân được đỡ bằng các lưỡi dao hợp kim chịu mài mòn tốt. Cân Mettler có cấu tạo gồm hai lưỡi dao cân (hình 5), một lưỡi dùng để treo quang cân, lưỡi dao còn lại dùng để nâng đòn cân ở vị trí cân bằng. Khi đưa vật vào cân ta phải lấy bớt quả cân ra với khối lượng tương ứng để giữ cho đòn cân về lại vị trí cân bằng ban đầu. Hình 5: Cân kỹ thuật và sơ đồ làm việc của cân Mettler 11 Ngày nay cân điện tử ra đời sử dụng kỹ thuật số và hiển thị bằng màn hình tinh thể lỏng nên đã giảm bớt được rất nhiều thao tác cho người phân tích. Nguyên lý hoạt động của cân điện tử là vật cân kéo đĩa cân xuống với lực F = m.g với m là khối lượng của vật cân; g là gia tốc trọng trường. Cân điện tử sẽ dùng một lực phản hồi điện tử để kéo đĩa cân về vị trí ban đầu của nó. Khi đặt vật cân vào đĩa cân, do khối lượng của vật cân kéo đĩa cân xuống, điều đó sẽ được detector phát hiện và gửi tín hiệu đến bộ chỉnh dòng, dòng phản hồi được sinh ra đưa tới động cơ trợ. Dòng điện cần thiết để sinh ra lực phản hồi tỷ lệ với khối lượng của vật và được hiển thị trên màn hình hiện số. Hình 6: Cân điện tử và nguyên lý hoạt động 2. Những lưu ý khi sử dụng cân - Trước khi cân phải kiểm tra độ thăng bằng của cân qua bọt nước của bộ phận điều chỉnh thăng bằng, bọt nước phải nằm ở giữa vòng tròn giới hạn. - Khi cân phải đối diện với cân, mọi thao tác phải nhẹ nhàng tránh va đập. - Nguồn điện cấp cho cân phải đúng, bật công tác nguồn, đợi cho cân ổn định, màn hình hiển thị chỉ “0,0000 g”. - Không được cho vật quá khối lượng giới hạn của cân (khối lượng này được ghi trên từng loại cân cụ thể). - Đặt vật cân ở chính giữa đĩa cân. - Chỉ cân vật ở nhiệt độ bằng nhiệt độ xung quanh không gian của cân vì vậy đối với những vật lấy ở lò nung, tủ sấy... ra nhất thiết phải đặt vào bình hút ẩm tới nhiệt độ phòng rồi mới được cân. - Trong thời gian cân các cửa tủ cân phải đóng kín. - Trong bất kỳ trường hợp nào cũng không đặt trực tiếp hóa chất lên đĩa cân (phải đựng trong các cốc cân, thuyền cân hoặc giấy cân phù hợp). Khi cân các chất dễ bay hơi phải đựng trong bình có nút kín. - Cân xong phải tắt cân, rút nguồn và vệ sinh sạch sẽ cân. 12 XỬ LÝ THỐNG KÊ CÁC SỐ LIỆU THỰC NGHIỆM Ngay cả những quan sát chính xác cũng có thể dẫn đến những kết luận không chính xác nếu các sự kiện thí nghiệm được xử lý không đúng. Vì vậy việc xử lý các kết quả thực nghiệm là một giai đoạn quan trọng khi thực hiện công việc thí nghiệm và nghiên cứu. Cơ sở và các thuật ngữ của công việc dựa trên những lý thuyết về xác suất và thống kê toán, dưới đây chỉ trình bày nội dung của phương pháp này dưới dạng các ví dụ cụ thể để sinh viên có thể áp dụng ngay khi xử lý các số liệu thí nghiệm. Ví dụ 1: Xác định axit phophoric bằng phương pháp thể tích dựa trên việc chuẩn axit phophoric bằng dung dịch chuẩn NaOH khi có mặt chất chỉ thị metyl da cam. Lượng NaOH tiêu tốn sau 7 lần làm thí nghiệm được ghi lại như sau: x1=7,75ml; x2=7,70ml; x3=7,78ml; x4=7,75ml; x5=7,76ml; x6=7,05ml; x7=7,70ml Ta tính các đặc trưng. − Kỳ vọng mẫu: 1 1 7,75 7,07 7,78 7,75 7,76 7,05 7,70 7,64 7 n i i x x m n = + + + + + += = =∑ l nếu sử dụng chương trình Microsoft Excell ta dùng hàm AVERAGE (X) − Phương sai mẫu điều chỉnh *2 2 2 1 1 ( ) (0, 2625) 1 n i i S x x n = = − =− ∑ − Độ lệch chuẩn * 0, 2625S = nếu sử dụng chương trình Microsoft Excell ta dùng hàm STDEV (X) Lập bảng ạ V (NaOH) ml ( )ix x− 2( )ix x− 1 7,75 0,1086 0,011788 2 7,70 0,0586 0,003431 3 7,78 0,1386 0,019202 4 7,75 0,1086 0,011788 5 7,76 0,1186 0,014059 6 7,05 -0,5914 0,349788 7 7,70 0,0586 0,003431 Ta nhận thấy ở kết quả đo ạ 6, giá trị tuyệt đối của độ lệch so với giá trị trung bình vượt quá 2.S* (0,5914 > 0,2625 . 2 = 0,5250) nên kết quả này phải loại bỏ. Như vậy với số lần đo n=6 ta có được các kết quả sau: {7,75ml; 7,70ml; 7,78ml; 7,75ml; 7,76ml; 7,05ml; 7,70ml} 13 Sử dụng chương trình Excell để tính Đặc trưng Lệnh trong Excell Kết quả Kỳ vọng ( x ) =AVERAGE (X) 7,74 Độ lệch chuẩn (S*) =STDEV (X) 0,0329 Phân vị với độ tin cậy 95% (t0,05; 5) =TINV (0,05; 5) 2,5706 áp dụng công thức: * *S Sx t m x t n nα α − < < + ta tìm được khoảng tin cậy của giá trị trung bình với độ tin cậy 95% là 7,74